Réponse des plantes aux stimuli
Les plantes colonisent divers milieux et reçoivent de multiples stimuli internes et externes. Etant immobiles, elles doivent se protéger et s’adapter à ces stimuli pour croitre et survivre. Un mécanisme complexe entre dans la réponse des végétaux aux stimuli abiotiques comme la lumière, la gravité, les stress environnementaux et les agresseurs biotiques.
1. Mécanisme de réponse aux stimuli
La réponse des plantes aux différents stimuli passe par :
1/ La réception des stimuli, grâce à des récepteurs, qui sont des protéines à la surface des cellules (parfois à l'intérieur), spécifiques aux types de stimuli ;
2/ La transduction des stimuli, faisant intervenir des seconds messagers, qui sont de petites molécules (comme la guanosine monophosphate ou acide guanylique cyclique GMPc) et des ions (comme le calcium) présents dans la cellule. Leur rôle est d’amplifier le stimulus perçu par le récepteur et de le transférer à d’autres protéines ;
3/ La réponse aux stimuli, généralement à travers une activité accrue d’enzymes particulières. Deux principaux mécanismes existent :
La modification post-traductionnelle, activant des enzymes existantes comme les protéines kinases, qui régulent la synthèse de nouvelles protéines. D’autres enzymes, dont les protéines phosphatases, régulent l’inactivation de ces voies quand il y a arrêt du stimulus ;
La régulation transcriptionnelle, régulant la synthèse de l’ARNm qui code pour une enzyme précise.
2. Médiateurs de réponse
Hormones végétales
Les plantes produisent plusieurs phytohormones, appelées aussi régulateurs de croissance, qui sont des composés organiques régulant un ou plusieurs processus physiologiques. Ainsi, elles dirigent la croissance et le développement des végétaux en agissant sur la division, l’élongation et la différenciation cellulaires. Certaines régulent la réponse des plantes aux différents stimuli externes.
Les principales catégories d’hormones végétales sont :
Les auxines, jouant un rôle dans l’allongement cellulaire et régulant la ramification et la courbure des organes ;
Les cytokinines, stimulant la division cellulaire, favorisant la croissance tardive des bourgeons et retardant la mort des organes ;
Les gibbérellines, favorisant l’allongement des tiges et activant la sortie de la dormance des graines ;
Les brassinostéroïdes, provoquant l’allongement et la division cellulaires ;
L’acide abscissique, favorisant la dormance des graines et jouant un rôle dans la résistance à la sécheresse à travers la fermeture des stomates ;
Les strigolactones, régulant la dominance apicale, la germination des graines et les associations mycorhiziennes ;
L’éthylène, régulant la maturation des fruits.
Neurotransmetteurs végétaux
Les neurotransmetteurs sont souvent associés au système nerveux des animaux, mais ils existent également chez les plantes (Dehghanian et al., 2024). Ce sont des composés chimiques jouant un rôle clé dans le développement, la croissance et la protection des végétaux.
Les principaux neurotransmetteurs (ou biomédiateurs) identifiés chez les plantes incluent :
L'acide γ-aminobutyrique (GABA), améliorant la photosynthèse et la croissance et jouant un rôle essentiel dans la réponse aux stress environnementaux, tels que la salinité et la sécheresse ;
La dopamine, jouant un rôle dans la croissance des racines et améliorant la résistance aux pathogènes ;
La sérotonine, jouant un rôle dans la croissance, la tolérance au stress oxydatif et retardant la sénescence (le vieillissement) ;
La mélatonine, régulant la germination des graines et la floraison et améliorant la tolérance au stress salin.
3. Réponse aux différents stimuli
- La lumière
Les plantes perçoivent la présence de la lumière, sa direction, son intensité et sa longueur d’onde (couleur). La lumière joue un rôle essentiel dans la photosynthèse et dans la croissance et le développement des végétaux. Elle influence aussi la morphologie des plantes, appelé photomorphogenèse, par la lumière rouge et la lumière bleue. Ces dernières sont perçues par des pigments :
Les photorécepteurs sensibles à la lumière bleue, régulent l’allongement de l’hypocotyle (la tige de la plantule, située entre les cotylédons et la radicule), l’ouverture des stomates et le phototropisme (orientation par rapport à la lumière) ;
Les phytochromes, absorbant la plus grande partie de la lumière rouge, régulent l’héliophilie (attrait pour le soleil et la lumière) et la germination des graines.
La conversion des phytochromes informe sur les durées relatives du jour et de la nuit (photopériode) et donc sur le temps de l’année. Ce photopériodisme régule le temps de la floraison chez de nombreuses espèces :
Les plantes de jour court nécessitent une nuit plus longue ;
Les plantes de jour long nécessitent une nuit plus courte.
- La gravité
Le gravitropisme est la courbure d’un organe en réaction à la gravité. Il se révèle dès la germination, quand la racine s’enfonce dans le sol (gravitropisme positif) et la pousse recherche la lumière (gravitropisme négatif), quelle que soit la position de la graine sur le sol.
Les plantes perçoivent la gravité grâce aux statolithes, des constituants cytoplasmiques denses qui se déposent dans la partie inférieure des cellules sous l’influence de la gravité. Chez les plantes vasculaires, les statolithes sont des plastes spécialisés contenant des grains d’amidon denses.
- Les stimuli physiques
La thigmomorphogenèse est les variations de forme des plantes résultant d’une perturbation physique. Les végétaux sont très sensibles au toucher et peuvent déclencher une réaction d’orientation consécutive au contact, appelée thigmotropisme. Ainsi, la transmission d’impulsions électriques, appelées potentiels d’action, causent des mouvements rapides de la feuille.
La réaction des plantes aux stimuli physiques fait partie de leurs stratégies de développement. Par exemple, les vignes et les plantes grimpantes portent des vrilles, qui sont des feuilles ou tiges modifiées. Ces vrilles s’enroulent autour des objets formant une spirale, permettant d’accrocher la plante au support.
- Les stress environnementaux
Les plantes ont plusieurs réponses aux stress environnementaux :
- La sécheresse, par fermeture des stomates grâce à l’acide abscissique, afin de réduire les pertes d’eau ;
- L’inondation, par formation de canaux d’air permettant aux racines de survivre au manque d’oxygène ;
- La salinité, par la production de solutés (tolérés à des concentrations élevées) permettant d’éviter la perte d’eau par osmose ;
- La chaleur, par la synthèse de protéines de choc thermique réduisant la dénaturation des protéines ;
- Le froid, par rajustement de la fluidité des membranes, production de protéines antigel et évitement de la perte d’eau par osmose.
- Les herbivores
Les plantes répondent à la présence des herbivores par la production des substances chimiques qui peuvent être toxiques (comme la canavanine) ou au goût désagréable. Aussi, elles peuvent produire des molécules volatiles (comme les huiles essentielles) qui attirent les animaux prédateurs des herbivores afin de les protéger. Les substances volatiles libérées par les plantes après l’attaque des herbivores (comme l’acide méthyljasmonique) avertissent aussi les plantes voisines de la même espèce, qui se protègent à leur tour du danger.
Ces substances trouvent une application dans l’agriculture durable, qui les utilise pour contrôler les agresseurs des plantes. Ainsi, les plantes peuvent être utilisées directement comme culture de couverture ou ces substances peuvent être isolées et utilisées comme pesticide et même herbicide naturel.
- Les agents pathogènes
Plusieurs agents pathogènes, dont les virus, les bactéries et les champignons, peuvent attaquer les plantes par les ouvertures naturelles (stomates) ou les lésions physiques des organes. La plante réagit en induisant une réaction d’hypersensibilité permettant de détruire le pathogène et les cellules hôtes situées dans la zone d’infection, et d’isoler ainsi l’infection. En plus, une réaction de défense généralisée est déclenchée dans les organes éloignés permettant une résistance systémique acquise protégeant la plante de divers agents pathogènes pendant plusieurs jours.
Source principale :
Livre : Reece J., Urry L., Cain M., Wasserman S., Minorsky P. & Jackson R. (2012). Campbell Biology, chapitre 39: Les réponses des Végétaux aux stimulus internes et externes, pages 955 – 987. ERPI, 9e Edition, version française. ISBN 978-2-7613-2856-2
Autre source :
Article de synthèse : Dehghanian, Z., Ahmadabadi, M., Asgari Lajayer, B., Bagheri, N., Chamani, M., Gougerdchi, V. … & Dell, B. (2024). Role of Neurotransmitters (Biomediators) in Plant Responses to Stress. Plants, 13(22), 3134.
Pour aller plus loin :
Place des plantes dans le monde.
Plantes à thalles vs plantes à cormus.
Découvrons le monde fascinant des plantes.
La puissance thérapeutique des plantes médicinales.
Exploiter le pouvoir des plantes pour traiter la lèpre.
Les bienfaits des champignons médicinaux.