Comment les arbres ajustent activement leur posture pour rester le plus droits possible

Source: The Conversation – in French – By Félix Hartmann, ingénieur de recherche en modélisation de la croissance des plantes, Inrae

Les arbres disposent d’outils pour percevoir leur environnement… et pour y réagir. Inrae – UCA, CC BY-SA

L’ESSENTIEL

Envers et contre toutes les bourrasques et les tempêtes, certains arbres poussent droit, imperturbables.
On sait, depuis les années 1950, que les troncs accueillent un type de bois particulier qui agit comme un muscle et peut courber la direction de pousse.
On réalise aujourd’hui que, aidés de plus par des outils qui leur permettent de sentir la gravité, la lumière et même leur propre courbure, ces « muscles » peuvent servir à se décourber.

Pour un arbre, pousser droit et vers le haut n’a rien d’évident. Une tempête ou un glissement de terrain peuvent l’incliner, voire le coucher à terre. Mais alors l’arbre se courbe progressivement pour que son sommet revienne vers la verticale. À l’inverse, si une trouée de lumière apparaît suite à la chute d’un voisin, l’arbre a tendance à se courber vers l’origine de la lumière.

Toutes ces courbures, dans un sens ou dans l’autre, pourraient rendre le tronc bien tortueux. Pourtant, on observe dans les futaies de grands arbres bien droits, malgré les tempêtes et les trouées de lumière.

Les arbres ont en fait une capacité d’adaptation posturale. En effet, une forme rectiligne et verticale leur assure l’accès le plus rapide à la lumière, ce qui est utile en forêt où la compétition peut être rude. Elle réduit aussi leur ploiement sous l’accroissement de leur poids et le risque de casse au vent.

Cette capacité est essentielle alors que les évènements extrêmes deviennent de plus en plus fréquents, et où les arbres subissent des coups de vent qui les renversent, des pertes de stabilité du sol ou même des glissements de terrain lors de fortes pluies…

Au cours de l’évolution, les plantes ont acquis la capacité à percevoir la direction de la gravité et celle d’où vient la lumière. Elles perçoivent aussi leur propre courbure – et nous venons de montrer comment les arbres parviennent à la corriger.

Les arbres poussent droit malgré les événements extérieurs qui influencent leur croissance. Ici, dans la forêt de hêtres des Colettes dans l’Allier, en France, connue comme l’une des plus belles hêtraies naturelles d’Europe.
Bruno Moulia, Fourni par l’auteur

Comment les plantes perçoivent leur environnement… et leur propre forme

Les plantes perçoivent leur environnement et peuvent s’y adapter grâce à plusieurs sens.

Par exemple, des photorécepteurs particuliers leur permettent de détecter une source lumineuse, c’est la « photoperception ».

Pour percevoir la direction de la gravité (« graviperception »), elles disposent tout le long de leurs tiges de cellules spécialisées qui indiquent où est le bas, grâce à de gros grains d’amidon, les « statolithes », qui s’accumulent au fond des cellules par gravité.

Ces grains rappellent les otolithes, les petits cailloux de notre oreille interne responsables de notre sens de l’équilibre. Mais alors que nos otolithes sont très sensibles aux accélérations, ce qui nous donne le tournis dans les manèges, les statolithes des plantes indiquent seulement l’inclinaison de la tige. Ils s’agitent en effet dans un milieu cellulaire très visqueux, ce qui amortit les accélérations.

Enfin, notre équipe a montré en 2013 que les plantes perçoivent leur propre courbure par « proprioception », selon un processus qu’il reste à découvrir.

Un « muscle en bois » pour se courber

En réponse à ses perceptions, un arbre peut courber activement son tronc. En effet, on sait depuis les années 1950 que le bois ne fait pas que soutenir le poids de l’arbre comme un squelette : il peut aussi servir de muscle.

Chez les espèces feuillues, ce « bois-muscle » s’appelle le bois de tension. Il se forme sur la face supérieure des tiges inclinées. Chaque nouvelle fibre de bois formée, en se contractant, contribue à courber progressivement le tronc sur des semaines ou des années (plus le tronc est épais, plus ce processus requiert de fibres). Ce bois est redouté des scieurs, car la tension accumulée du fait de gros secteurs de bois de tension peut provoquer des éclatements à l’abattage, ou des déformations après découpe.

Mais le bois de tension peut-il jouer le rôle inverse, c’est-à-dire décourber le tronc en réponse à sa proprioception ? Notre hypothèse était que du bois de tension se formerait sur la face opposée à la courbure : on aurait alors un couple de zones de bois de tension de chaque côté du tronc, qui agiraient successivement comme des muscles antagonistes, tels nos muscles dorsaux et abdominaux qui nous permettent de nous « tenir droit ».

Mais pour observer clairement la proprioception à l’œuvre, il faut annuler les autres perceptions, en particulier la photoperception et la graviperception. C’est ce que nous avons fait, grâce à un dispositif expérimental original.

Bain de lumière et manège à plantes

Nous avons placé de jeunes peupliers dans des sphères d’1,5 mètre de diamètre, à l’intérieur desquelles la lumière arrive de toutes les directions à la fois. Dans ce dispositif, la lumière est toujours utilisée par les peupliers pour leur photosynthèse, mais elle n’a aucune influence sur leur direction de croissance.

Pour étudier la croissance des peupliers, ce dispositif permet d’envoyer la lumière dans toutes les directions à la fois et de faire tourner la plante pour annuler sa perception de la gravité.
Inrae — UCA, CC BY-SA

Pour annuler la perception de la direction de la gravité, nous avons combiné la sphère avec un système déjà existant, appelé « clinostat ». Il s’agit d’un socle tournant autour d’un axe horizontal à la vitesse d’un à deux tours par minute. Lorsqu’une plante est placée dans un clinostat, ses organes sont orientés alternativement vers le haut et le bas. Les statolithes se retrouvent mis en suspension dans les cellules, répartis aléatoirement, ce qui prive la plante de la perception du haut et du bas.

Courbure et décourbure d’un peuplier

Au début de l’expérience, chaque peuplier est placé à l’horizontale dans une sphère. Le clinostat n’est pas encore activé. Le peuplier perçoit donc son inclinaison par rapport à la gravité (sans influence de la lumière) et se courbe vers le haut, comme attendu. Une dizaine de jours suffisent pour qu’une courbure bien nette apparaisse. C’est alors que le clinostat est enclenché, ce qui suspend la perception de la gravité. Il ne reste plus à l’arbre pour s’orienter qu’une seule perception, celle de sa propre courbure, la proprioception. Au cours des semaines qui suivent, le tronc du peuplier se décourbe progressivement jusqu’à devenir rectiligne.

Images en *time lapse* : trois positions successives du peuplier durant son mouvement de courbure vers le haut. Il repasse par ces positions (alors qu’il tourne sur lui-même) en se rectifiant.
Inrae — UCA, CC BY-SA

À la fin de l’expérience, nous avons fait des coupes transversales des troncs de peupliers. Une coloration spécifique permet de mettre en évidence le bois de tension. Et comme le bois se forme en couches successives, on peut estimer la période de production des cellules de bois à partir de leur position par rapport au centre du tronc.

schéma — Coupe transversale d’un tronc de peuplier en fin d’expérience. Le bois de tension est coloré en bleu. Il s’est formé sur la face supérieure avant l’activation du clinostat et sur la face inférieure après l’activation du clinostat.
Inrae — UCA, CC BY-SA

Sur ces coupes, nous avons observé que du bois de tension s’était formé sur la face supérieure durant la première phase de l’expérience, quand le clinostat n’était pas activé. Grâce à lui, le tronc a pu se courber vers le haut. Puis dès l’enclenchement du clinostat, cette formation de bois de tension a cessé et un nouveau bois de tension a commencé à se former sur la face opposée, comme nous en avions fait l’hypothèse.

C’était la preuve que le mouvement de décourbure du tronc a été engendré par du bois de tension, en réponse à la proprioception, et jouant un rôle équivalent à celui d’un muscle antagoniste chez un animal.

Ainsi, nous avons mis en évidence une boucle sensorimotrice de contrôle postural, une capacité que l’on pensait réservée aux seuls animaux.

S’adapter à l’environnement, sans nerfs ni cerveau

Dans l’environnement naturel de l’arbre, toutes les perceptions se combinent dans des proportions variables. L’arbre est capable d’intégrer ces différents signaux pour y réagir adéquatement en produisant du bois de tension quand il le faut, là où il le faut.

Dans des arbres non clinostatés, nous avons toujours retrouvé des secteurs de bois de tension opposés permettant de rectifier le tronc, qui avaient probablement été négligés comme des anomalies non significatives dans les études antérieures.

C’est ainsi qu’un arbre adapte constamment sa posture à son environnement, sans système nerveux central.

Des arbres en forme pour des forêts et une exploitation plus robustes

Nous l’avons vu, une forme rectiligne est essentielle pour les arbres car c’est ce qui leur permet d’accéder à la lumière et de moins ployer sous leur propre poids au risque de casser.

Mais ces capacités sensorielles et d’adaptation sont aussi utiles pour nous, les humains, afin de disposer de fûts droits et avec un bois homogène pour son usage en construction et ameublement. Si, pendant longtemps, les recherches sur la qualité des bois ont essayé de sélectionner des arbres qui ne produisaient quasiment pas de bois de tension, nos recherches montrent désormais que c’était une erreur. Pour obtenir des fûts rectilignes sans gros secteurs de bois de tension, ce qu’il faut, ce sont des arbres alliant sensibilité proprioceptive et puissance de leur bois de tension pour que les corrections de posture soient efficaces et rapides.

Le projet a bénéficié du soutien de l’Agence nationale de la recherche (ANR), qui finance en France la recherche sur projets (Perception de la gravité chez les plantes : de la cellule à la réponse biomécanique. — GRAP2 ANR-13-BSV5-0005. L’ANR a pour mission de soutenir et de promouvoir le développement de recherches fondamentales et finalisées dans toutes les disciplines, et de renforcer le dialogue entre science et société. Pour en savoir plus, consultez le site de l’ANR.

Félix Hartmann a reçu des financements de l’ANR.

Pour les travaux discutés ici Bruno MOULIA a reçu des financements de :
French Space Agency (CNES).
IDEX-ISITE initiative 16-IDEX- 0001 and the International Research Center on Sustainable AgroEcosystems (ISITE CAP20-25).

Plus largement ses recherches ont été financées par l’ANR et par l’Europe , ainsi que, de manière ponctuelle, par le Fonds de Soutien à l’Obtention Végétale et par l’Institut Français du Caoutchouc

Mélanie Decourteix a reçu des financements dans le cadre des appels à projets du CNES, de l’IRC-SVSAE (I-SITE) de Clermont-Ferrand, de Clermont Auvergne Metropole, du département AES d’INRAe et de l’ANR.

– ref. Comment les arbres ajustent activement leur posture pour rester le plus droits possible – https://theconversation.com/comment-les-arbres-ajustent-activement-leur-posture-pour-rester-le-plus-droits-possible-292184