Pour la première fois, on peut admirer comment respire une plante : la science a réussi à filmer (et mesurer) les échanges gazeux des feuilles
Une nouvelle technologie observe les stomates vivants du maïs tout en mesurant le CO2 et l’eau, rapprochant ainsi l’agriculture de laboratoire et de précision
Une feuille de maïs au microscope, des dizaines de petites ouvertures qui s'élargissent et se rétrécissent et, en même temps, des instruments qui mesurent la quantité de dioxyde de carbone qui entre et la quantité d'eau qui sort. Pour la première fois, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign sont parvenus à suivre le comportement des stomates en temps réel en le reliant directement aux échanges gazeux de la feuille.
Le système s'appelle Stomata In-Sight et est décrit dans une étude publiée dans Physiologie végétale. En pratique, cela permet de voir ces petites « bouches » des plantes qui font ce que les plantes font tout le temps : rechercher un équilibre entre le CO2 nécessaire à la photosynthèse et l'eau qu'elles risquent de perdre à chaque fois qu'elles ouvrent la porte.
Les stomates sont des pores microscopiques à la surface des feuilles. Lorsqu'ils s'ouvrent, le dioxyde de carbone peut pénétrer dans les tissus végétaux ; en même temps, de la vapeur d'eau s'échappe. L’usine doit ensuite ajuster en permanence ces ouvertures en fonction de la lumière, de la température, de l’humidité et de la concentration de CO2. Une négociation microscopique qui dure pratiquement toute la journée.
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Observez les stomates lorsque la feuille échange des gaz
Jusqu’à présent, les scientifiques disposaient d’outils très efficaces pour observer les stomates et d’autres tout aussi précis pour mesurer la photosynthèse et la perte en eau. Rassembler les deux, en même temps et sur la même feuille vivante, était bien plus compliqué.
Stomata In-Sight rassemble un microscope très puissant, des instruments de mesure des échanges gazeux et un système d'intelligence artificielle. La feuille reste vivante pendant que les chercheurs surveillent la lumière, la température, l’humidité et le CO2 et observent comment les stomates s’ouvrent et se ferment.
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Lors de la présentation de la recherche, Andrew Leakey, professeur de biologie végétale à l'Université de l'Illinois et l'un des auteurs de l'étude, a déclaré :
Traditionnellement, nous devions choisir entre voir les stomates ou mesurer leur fonction.
Le groupe a testé le système sur du maïs (Zea Mays), soumettant les feuilles à différentes conditions de lumière et concentrations de CO2. De cette façon, il a pu observer comment l'ouverture des stomates changeait physiquement à mesure que la photosynthèse et la transpiration variaient.
L'apprentissage automatique suit des dizaines de petites ouvertures
Regarder les stomates est une chose. Les mesurer un par un pendant des heures en est une autre. Pour cette raison, les chercheurs ont formé un système d’apprentissage automatique capable de reconnaître automatiquement les pores et les cellules stomatiques dans les images et de calculer leurs dimensions. Les mesures automatiques de la surface des pores ont montré une forte correspondance avec celles effectuées manuellement par les scientifiques.
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Le groupe a également découvert que, dans les conditions expérimentales utilisées, l'observation d'une quarantaine de stomates permettait déjà d'obtenir une bonne estimation du comportement moyen de la portion de feuille analysée.
Le passage intéressant vient immédiatement après. Grâce à la taille, à la densité et à la profondeur des stomates observés au microscope, les chercheurs ont pu estimer la conductance stomatique, c'est-à-dire la facilité avec laquelle le gaz et la vapeur d'eau traversent la surface de la feuille, obtenant des valeurs proches de celles mesurées directement par les instruments. Le comportement d’une poignée de pores microscopiques commence ainsi à indiquer ce que fait la feuille entière.
Parce que ça peut être utile contre la sécheresse
Chaque ouverture des stomates implique un échange : le CO2 nécessaire à la photosynthèse entre, l'eau sort. Mieux comprendre comment différentes plantes gèrent cet équilibre pourrait aider les chercheurs à identifier des caractéristiques utiles pour cultiver des cultures qui utilisent l'eau plus efficacement, un objectif de plus en plus important en agriculture alors que les sécheresses et les vagues de chaleur rendent la disponibilité de l'eau moins fiable.
Les mêmes auteurs indiquent parmi les applications futures possibles l'étude des caractéristiques génétiques qui régulent la forme et le comportement des stomates, pour comprendre quelles combinaisons permettent aux cultures de maintenir une bonne photosynthèse tout en perdant moins d'eau.
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Naturellement, on peut passer d’ici au maïs qui pousse heureusement sans irrigation. Stomata In-Sight est un outil de recherche, testé jusqu'à présent dans des conditions contrôlées, et qui sera utilisé sur d'autres variétés, espèces et conditions environnementales. Mais cela nous permet d’examiner de plus près l’un des mécanismes qui déterminent la quantité d’eau qu’une plante consomme pour pousser.
Une petite fenêtre sur la relation entre plantes et climat
Le comportement des stomates entre également dans les modèles qui tentent de décrire comment la végétation réagit aux températures plus élevées, à la sécheresse et à l’augmentation du CO2 atmosphérique. Jusqu'à présent, bon nombre de ces processus sont représentés par des moyennes et des paramètres dérivés d'échanges de feuilles entières. Être capable d’observer directement la réaction de chaque pore donne aux chercheurs une quantité d’informations beaucoup plus détaillées à tester dans des modèles physiologiques et climatiques.
L'Université de l'Illinois a déjà déposé un brevet sur cette technologie. La prochaine étape sera de l’utiliser pour comparer des plantes ayant des anatomies et des stratégies différentes et comprendre lesquelles sont capables de trouver le meilleur compromis entre carbone et eau. Car une feuille, vue de loin, continue de paraître parfaitement immobile. Sous le microscope, il passe son temps à ouvrir et fermer de minuscules portes, s'occupant continuellement de ce qui entre et de ce qu'il risque de perdre.
