Les racines des plantes détectent la matière végétale en décomposition et l’évitent : le saprotropisme

Les racines des plantes sont capables de repérer, dans le sol voisin, de la matière végétale en train de pourrir et de réorienter leur croissance pour s’en éloigner sans jamais la toucher, selon une nouvelle étude.

Cette détection à distance repose sur la lecture d’une trace chimique que la décomposition diffuse dans la terre environnante.

Ce comportement correspond à une forme de navigation racinaire jusqu’ici inconnue, qui maintient les tissus les plus fragiles de la plante à l’écart des microbes responsables de la pourriture.

Il montre aussi que les composés rejetés lors de la décomposition peuvent déterminer la direction dans laquelle une plante se développe.

Pourquoi les racines évitent la pourriture

Dans le sol, un amas de matière végétale en décomposition est un véritable carrefour biologique. Champignons et bactéries s’y concentrent, et ces mêmes microbes qui dégradent les tissus morts peuvent aussi s’en prendre à des racines vivantes qui s’approchent trop.

Yuzhou Zhang, biologiste végétal ayant dirigé l’étude à la Northwest A&F University (NWAFU) en Chine, et ses collègues ont voulu vérifier si les racines contournent intentionnellement ces zones.

Interrogé par Earth.com sur la façon dont une racine réagit à une décomposition qu’elle ne touche jamais, Zhang a déclaré : « Les racines n’ont pas besoin de toucher la matière végétale en décomposition pour y réagir. »

Pour mettre cette hypothèse à l’épreuve, les chercheurs ont placé une pomme en train de pourrir à côté des extrémités racinaires de l’arabette des dames (Arabidopsis), une petite plante très utilisée en recherche.

En l’espace de deux jours, les racines orientées vers la zone de décomposition ont ralenti, puis se sont arrêtées, incapables d’y progresser, tandis que celles situées dans un sol sain continuaient à s’allonger normalement.

Le même schéma a été observé chez des plantes cultivées - notamment le colza, la tomate et le blé - ce qui indique qu’il ne s’agit pas d’un cas particulier propre à une seule espèce. L’équipe a baptisé cette croissance d’évitement saprotropisme, à partir d’un mot grec signifiant « pourri ».

Les racines lisent des traces chimiques

Dans une autre configuration expérimentale, les scientifiques ont placé de la matière en décomposition à moins de 1,3 cm sur le côté d’une racine, sans aucun contact direct. Au lieu de descendre en ligne droite, la racine s’est incurvée en s’en éloignant.

Cela indiquait que les racines percevaient quelque chose qui se propageait dans le sol, plutôt qu’un simple stimulus mécanique. L’équipe a identifié le signal : l’acidité.

Lorsque des champignons digèrent la matière végétale morte, ils libèrent des acides organiques qui font baisser le pH du sol alentour.

Un colorant sensible au pH a alors changé de teinte en formant un halo autour de la pomme en décomposition, révélant un gradient de pH stable : plus acide près de la pourriture, plus modéré à mesure qu’on s’en éloigne.

Pour vérifier si l’acidité, à elle seule, suffisait à déclencher la réponse, l’équipe a reproduit un gradient comparable à l’aide d’un acide faible, sans aucune décomposition.

Les racines se sont écartées de la même manière que face à une véritable zone de pourriture. Et lorsqu’un tampon neutralisait l’acidité, la courbure disparaissait.

Les racines ignorent les fausses alertes

Le signal s’est aussi révélé spécifique. Lorsque l’équipe a testé de la viande de poulet en décomposition - qui rend le sol légèrement alcalin plutôt qu’acide - les racines n’ont montré aucune réaction.

Autrement dit, les racines répondent à la signature acide propre à la décomposition des tissus végétaux, et non à la décomposition en général.

Cette sélectivité a étonné les chercheurs. Le co-auteur Jiří Friml est biologiste végétal à l’Institute of Science and Technology Austria (ISTA).

« Cela nous indique que le saprotropisme n’est pas une réaction générale à la décomposition, mais une réponse spécifique à l’environnement chimique créé par la décomposition de la matière végétale », a expliqué Friml à Earth.com.

Une voie hormonale différente

La plupart des tropismes connus reposent sur une seule hormone. L’exemple le plus parlant est le gravitropisme - la croissance des racines vers le bas - qui, depuis environ un siècle, est attribué à l’auxine, une hormone de croissance qui s’accumule d’un côté de la racine et provoque la courbure.

Le saprotropisme ne suit pas ce modèle. Des racines génétiquement modifiées pour être dépourvues des mécanismes de transport de l’auxine se courbaient toujours à l’écart de la décomposition, et souvent plus fortement que la normale : la voie classique de l’auxine ne pouvait donc pas l’expliquer.

À la place, le gradient d’acidité semble être détecté par des récepteurs sensibles au pH situés sur les cellules les plus externes de la racine.

En réponse, l’acide abscissique - une hormone que les plantes mobilisent habituellement en situation de stress - s’accumule davantage du côté de la racine tourné vers la pourriture.

Se détourner du danger

Un capteur fluorescent a permis d’observer directement cette accumulation : en quelques heures après l’exposition à la décomposition, l’hormone augmentait au niveau de l’extrémité racinaire et se concentrait vers la zone acide. C’est ce déséquilibre qui fixe la direction de la courbure.

Cette asymétrie hormonale entraîne ensuite une réorganisation des microtubules, des fibres internes qui orientent l’étirement des cellules.

Les cellules d’un côté s’allongent davantage que celles de l’autre, et la racine se tord en s’écartant de l’acidité.

Ce dispositif « hormone + fibres » n’est pas inédit chez les plantes. Une étude antérieure a montré que les racines utilisent le même signal à l’acide abscissique et la même torsion des microtubules pour croître à l’écart de sols salés : une réponse appelée halotropisme.

Aider les cultures à éviter les maladies

Ces résultats établissent que les racines savent interpréter la chimie d’une décomposition proche et orienter leur croissance en sens opposé, en s’appuyant sur un signal hormonal distinct de celui qui sous-tend la plupart des tropismes.

Ils confirment que l’acidité issue de la décomposition peut servir de véritable indicateur directionnel, et pas seulement de stress de fond qui freine la croissance.

L’ensemble s’inscrit aussi dans une vision où une même racine arbitre simultanément plusieurs signaux.

Le même groupe avait déjà décrit, dans un article précédent, une sorte de bras de fer entre l’attraction de la racine vers la gravité et son attraction vers l’eau ; le saprotropisme semble s’intégrer à ce même mécanisme d’équilibrage.

Pour l’agriculture, cela suggère que les racines des cultures pourraient contourner des poches de matière en décomposition ainsi que les microbes pathogènes qui s’y regroupent.

Des plantes capables d’éviter l’infection

Zhang estime que ces observations pourraient, à terme, servir à améliorer la sélection variétale.

« Cela ne remplacerait pas la résistance classique aux maladies, mais pourrait la compléter en aidant les racines à éviter des zones riches en agents pathogènes avant qu’une infection ne survienne », a-t-il indiqué à Earth.com.

Ce serait une forme discrète d’autodéfense souterraine.

Les plantes influencent déjà la vie du sol via les substances libérées par leurs racines ; ici, le flux d’information s’inverse, puisque la chimie produite par la décomposition microbienne redirige la plante.

Le mystère évolutif demeure

L’équipe de Zhang soupçonne que le saprotropisme est apparu après la colonisation des terres par les plantes, car des gradients acides stables comme ceux-ci seraient difficiles à maintenir sous l’eau.

Reste à déterminer dans quelle mesure ce mécanisme est répandu dans le règne végétal, et comment le récepteur transmet précisément son signal à l’hormone.

Ces questions prolongent l’effort plus large du laboratoire pour comprendre comment les racines ont évolué afin de s’orienter dans le sol.

Crédit image : Bao et al. / Science